基于P2P的視頻點播系統在遠程教育中的應用

劉琰

（濮陽職業技術學院，河南濮陽457000）

隨著互聯網技術的發展，傳統的VOD視頻點播系統由于受網絡帶寬、服務器系統瓶頸等問題的制約，限制了學生對遠程資源的學習需求，已經不能滿足遠程教育教學的需要。隨著對等網P2P技術的逐漸成熟，基于P2P技術的視頻點播系統已經逐步成為一種新的網絡應用傳媒方式。在P2P網絡架構中，每個終端節點既是客戶端，同時又具備服務器的功能，可以充分挖掘互聯網中被忽視的客戶機資源，有效利用網絡帶寬，為用戶提供一個持續性的訪問服務。因此P2P技術和傳統的C／S模式相比無論在網絡利用率、擴展性和容錯方面都具有較大的優勢，P2P已經成為遠程教育中構建視頻點播系統的主流技術。

1 傳統視頻點播系統存在的問題分析

傳統的視頻點播系統大多都是基于C／S（客戶端／服務器）模式，其結構如圖1所示。

在構建傳統視頻點播系統時，客戶端需要接受解碼的視頻和音頻數據，因此數據量非常巨大，而單個的媒體數據流就需要消耗較大的存儲系統帶寬和網絡傳輸帶寬，而在多用戶訪問時，對視頻點播系統的網絡帶寬要求會更高。另外，在視頻點播過程中，用戶對視頻源的訪問需求是實時的，視頻點播系統必須提供及時的響應。因此，若要保證遠程教育學生能夠流暢的觀看視頻課程，視頻點播系統就要對所有活動的數據流提供嚴格的傳輸帶寬以及傳輸延遲保障策略，而傳統的基于C／S模式的視頻點播系統已不能滿足需求。

2 P2P視頻點播的相關理論

目前計算機界對P2P（Peer－to－Peer）沒有統一的定義，P2P是對等計算的簡稱。P2P是一種分布式網絡技術，它的一個重要特點就是在網絡中實現協作和共享機制。所謂協作，就是P2P中的每個客戶端在邏輯上是平等的，沒有嚴格的主次關系。所謂共享，就是在P2P模式中，每個節點既充當資源發送端，起到服務端的作用，又可以充當客戶端，獲取網絡資源，打破了傳統的C／S模式的制約。P2P是運行在互聯網上動態變化的邏輯網絡，和傳統的C／S模式相比，網絡具有相對寬松的網絡結構，同時又具有高效的路由算法，可以很好的實現網絡的負載勻衡，并且具有很好的擴展性，因此，P2P技術具有廣闊的應用前景。其基本結構如圖2所示。

P2P視頻點播系統就是基于對等網絡的流媒體點播系統，或者叫點對點的點播系統。它是以網絡基礎設施和流媒體服務器為底層構架，以流媒體方式存在的視頻、音頻等數據為傳輸內容，在對等節點和客戶端之間進行媒體傳遞溝通的技術。從技術角度來看，P2P視頻點播系統是流媒體技術和P2P技術的結合。

3 流媒體技術

3.1 流媒體知識介紹

流媒體是多媒體的一個組成部分，是指采用流式傳輸的方式在網絡中進行傳輸的一種媒體格式。流媒體技術（Streaming Media Technology）是美國的Real Networks公司首先推出的，概括地說，就是將視頻源經過壓縮處理后放入流媒體服務器中，利用數據緩沖和數據編解碼技術，在網絡協議的支持下，由流媒體服務器提供視頻源給客戶端播放的一種技術?？蛻舳丝梢赃呄螺d，邊觀看，不需要將整個文件下載到本地。其訪問流程為：首先系統會在客戶端本地創建視頻緩沖區，在進行點播前預先下載部分數據作為緩沖數據，如果網絡帶寬滿足點播需要，則緩沖區將持續下載數據資料預先保存，當網絡帶寬小于播放所耗用數據資料帶寬時，為保證播放的連續性，系統會自動地將緩沖區中的數據進行提取播放，從而使得播放連續且品質得到保證。

3.2 流媒體技術的傳輸原理

對于流媒體服務器中的音視頻源，用戶在進行訪問時，會將數據源進行分包，這些數據包在動態的網絡中按照不同的路由模式進行傳輸，到達客戶端時，在客戶端預先設置的緩存中進行存放。由于這些數據包到達客戶端的時間不同，為了保證數據包的順序正確，需要使用緩存系統進行排序，然后按照順序進行播放，播放完畢的數據包隨即被系統刪除。

流式傳輸在選擇使用傳輸協議時，由于流式傳輸需要較大的網絡開銷，而TCP是面向連接的，基于字節流的傳輸層協議，因此TCP不適合傳輸實時的、持續的、大流量的流式數據。在流式傳輸的實現方案中，RTP（Real－time Transport Protocol，實時傳輸協議）由于其結構特點，更適合用于視頻點播系統流式數據的傳輸，一般采用TCP／IP協議來傳輸流式媒體數據的控制信息，而用RTP／UDP來傳輸實時音頻和視頻數據。

流式數據傳輸的基本過程為：用戶首先向流媒體服務器發出訪問請求，通過HTTP協議在客戶端和服務器之間交換控制信息，同時將需要訪問的視頻源檢索出來，然后客戶端瀏覽器啟動輔助（Helper）程序對流媒體檢索出來的視頻源參數進行初始化，并使用RTP／UDP協議傳輸到客戶端進行播放。流式傳輸的基本過程如圖3所示。

4 基于P2P的視頻點播系統的設計

4.1 設計思想

在用戶實際使用視頻點播過程中，動態變化的網絡帶寬和數據丟包是影響視頻流質量的重要因素，是影響用戶使用點播系統的關鍵所在，為了保證視頻質量和流暢度，提高視頻數據傳輸的可靠性和穩定性，可以采用前向糾錯編碼來進行視頻傳輸；同時，為了應對動態網絡帶寬的變化，在視頻服務器端，必須建立可以調節視頻數據發送速率的調節機制，在服務器視頻源數據和向前糾錯編碼數據之間合理分配網絡傳輸帶寬。

另外在數據流傳輸過程中，會產生大量的冗余數據，為了減少視頻流數據丟失，提高視頻解碼質量，必須要使用數據錯誤控制技術來進行糾錯，確保視頻流傳輸的正確性。常用的糾錯技術有兩種，一種方式是使用自動重傳協議，自動重傳協議采用應答反饋的方式來進行通信，即當客戶端接收到視頻數據流后，必須向服務器端發送確認信息，當服務器收到反饋信息后，將持續不斷地發送視頻數據流，相反，如果沒有收到反饋信息，服務器將中斷與客戶端的聯系，釋放資源，這種方法可以提高訪問的正確性，但也浪費了系統資源和網絡帶寬。第二種方式是采用向前糾錯的方式，向前糾錯方式是首先對傳輸產生的的冗余數據進行檢測，根據錯誤情況進行糾錯，使用向前糾錯的優點是不需要服務器和客戶端產生雙向通道，不會產生數據停頓，系統實現延遲短，更適合于大規模網絡上的視頻傳輸。

4.2 系統結構及功能模塊

基于P2P的視頻點播系統的物理拓撲結構如圖4。

在上述結構圖中，我們將系統分為三個功能層次：視頻源數據處理層、P2P功能層、媒體控制和應用層。其中視頻源數據處理層處于整個系統的底層，P2P功能層處于中間層，而媒體控制和應用層屬于最上層，如圖5所示。

4.2.1 視頻源數據處理層

該層是整個系統的最底層，也是系統實現的基礎。其主要功能是將各類音視頻數據源進行加工和處理，轉化成數字信號并進行壓縮和編碼處理，使其轉化成流媒體傳輸格式，向P2P功能層提供服務。

大規模流媒體應用的視頻編碼技術大致可分為兩類：單碼率編碼技術和可擴展性編碼技術。在單碼率編碼方式中，服務器始終以單一速率向所有的數據接收節點發送流媒體數據，并根據各個接收節點的反饋信息來調整數據的發送速率。該編碼方式的控制粒度較粗，不能同時公平有效地對待多個客戶端接收節點。在客戶端接收節點的網絡狀況差異很大時，接入帶寬高于發送速率的接收節點的接收能力沒能得到充分利用，而帶寬低于該速率的接收節點則會發生擁塞。分層可擴展性編碼方式將視頻內容編碼分為占用少量帶寬的基本層和若干可以提高視頻質量的增強層，其中基本層作為最重要的層，包含流媒體最重要的特征數據；而其它層則為增強層，包含進一步提高視頻質量的數據。

4.2.2 P2P功能層

P2P功能層在視頻源數據處理層的基礎上，為媒體處理和應用層提供接口，它可以忽略網絡底層的異構性，簡化網絡的結構，并為上層提供統一的網絡接口，在其它兩層中架起一座橋梁。

4.2.3 媒體控制和應用層

該層分為兩部分，一部分是媒體播放應用層，第二部分是媒體控制層，媒體控制層是系統的核心層。其主要功能是合理分配媒體傳輸的帶寬，對媒體數據進行收集并根據客戶端的請求合理分配數據流；該層還可以對客戶端的節點狀態進行檢測，及時清除無用的鏈接請求；媒體控制層還可以對媒體的數據流質量進行監控和調整，通過數據糾錯技術對各類丟包、延遲數據進行處理，并對壓縮的數據流進行解壓縮并進行解碼工作，為媒體應用層提供結構完整的數據流。媒體應用層是系統組成的最上層，其主要工作是向數據源提出請求，通過媒體播放器將解碼后的數據流通過web或客戶端的方式為用戶展示出來，另外由于客戶端的網絡具有動態性和可變性，因此媒體應用層會在客戶端系統建立數據緩存區，數據緩存區可以不間斷接收流媒體數據包，并根據順序通過播放器進行播放，如果客戶端節點連接失敗，在重新連接期間，數據緩沖區的數據會連續不斷的向播放器提供流媒體數據，這樣可以為訪問者提供持續的媒體播放。

5 結束語

隨著信息技術的不斷發展，視頻點播系統在遠程教育中的作用越來越凸顯，將P2P技術應用到遠程教育視頻點播系統中，可以破解傳統的點播系統的各種瓶頸，提高通過遠程教育進行學習的學生的學習效率和學習質量，為學生接受知識提供了一種新的媒體方式，在遠程教育教學應用中具有一定的實用價值和意義。

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